Đánh giá hiệu năng bảo mật với kỹ thuật chọn lựa nhiều nút chuyển tiếp đơn trình dưới sự tác động của phần cứng không hoàn hảo

Đánh giá hiệu năng bảo mật với kỹ thuật chọn lựa nhiều nút chuyển tiếp đơn trình dưới sự tác động của phần cứng không hoàn hảo Đánh giá hiệu năng bảo mật với kỹ thuật chọn lựa nhiều nút chuyển tiếp đơn trình dưới sự tác động của phần cứng không hoàn hảo Đánh giá hiệu năng bảo mật với kỹ thuật chọn lựa nhiều nút chuyển tiếp đơn trình dưới sự tác động của phần cứng không hoàn hảo Đánh giá hiệu năng bảo mật với kỹ thuật chọn lựa nhiều nút chuyển tiếp đơn trình dưới sự tác động của phần cứng không hoàn hảo Đánh giá hiệu năng bảo mật với kỹ thuật chọn lựa nhiều nút chuyển tiếp đơn trình dưới sự tác động của phần cứng không hoàn hảo Đánh giá hiệu năng bảo mật với kỹ thuật chọn lựa nhiều nút chuyển tiếp đơn trình dưới sự tác động của phần cứng không hoàn hảo Đánh giá hiệu năng bảo mật với kỹ thuật chọn lựa nhiều nút chuyển tiếp đơn trình dưới sự tác động của phần cứng không hoàn hảo Đánh giá hiệu năng bảo mật với kỹ thuật chọn lựa nhiều nút chuyển tiếp đơn trình dưới sự tác động của phần cứng không hoàn hảo

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

KHÔNG HOÀN HẢO

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH – NĂM 2016

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

KHÔNG HOÀN HẢO

CHUYÊN NGÀNH : KỸ THUẬT VIỄN THÔNG

MÃ SỐ: 60.52.02.08

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

TS TRẦN TRUNG DUY

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH – NĂM 2016

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi

Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tp.HCM, ngày 20, tháng 06, năm 2016 Học viên thực hiện

Phạm Quốc Hưng

LỜI CÁM ƠN

Lời đầu tiên em xin chân thành gửi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy TS Trần Trung Duy

đã hướng dẫn tận tình, chỉ bảo em trong suốt quá trình thực hiện luận văn Cùng với tri thức và tâm huyết của mình Thầy đã trang bị cho em những kiến thức vô cùng quý báu để

em có thể vững tin bước tiếp trên con đường của mình

Qua thời gian học tập tại lớp Cao Học 2014 của Học Viện Công Nghệ Bưu Chính Viễn Thông, em đã nhận được rất nhiều sự quan tâm, giúp đỡ của quý Thầy Cô Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến quý Thầy Cô – Học Viện Công Nghệ Bưu Chính Viễn Thông

Em cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành đến quỹ phát triển khoa học và công nghệ quốc gia (Nafosted, 102.01 – 2014.33) đã tài trợ và tạo điều kiện để em có thể hoàn thành tốt luận văn này

Và em cũng xin được chân thành cảm ơn gia đình, người thân, bạn bè, các anh chị đồng nghiệp và các bạn học chung khóa cao học 2014 đã động viên, giúp đỡ, tạo điều điện

để cho em hoàn thành tốt khóa học

Tp.HCM, ngày 20, tháng 06, năm 2016 Học viên thực hiện

Phạm Quốc Hưng

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CÁM ƠN ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ, CHỮ VIẾT TẮT v

DANH MỤC HÌNH vi

MỞ ĐẦU 1

Chương 1- LÝ THUYẾT TỔNG QUAN 2

1.1 Bảo mật lớp vật lý (Physical-Layer Security) 2

1.2 Các phương pháp chuyển tiếp trong bảo mật lớp vật lý 3

1.2.1 Kỹ thuật khuếch đại và chuyển tiếp (AF) 5

1.2.2 Kỹ thuật giải mã và chuyển tiếp (DF) 6

1.2.3 Kỹ thuật ngẫu nhiên và chuyển tiếp (RF) 6

1.3 Các kỹ thuật phân tập kết hợp và chuyển tiếp phân tập 7

1.3.1 Các kỹ thuật phân tập trong thông tin vô tuyến 7

1.3.2 Các kỹ thuật phân tập kết hợp 8

1.3.2.1 Kỹ thuật kết hợp lựa chọn (Selection Combining: SC) [11] 8

1.3.2.2 Kỹ thuật kết tỉ số tối đa (Maximal Rtio Combining MRC) [11] 9

1.3.2.3 Kỹ thuật kết hợp đồng bộ (Equal-Gian Combining EGC) [12] 10

1.3.3 Các kỹ thuật lựa chọn nút chuyển tiếp 10

1.3.3.1 Phương pháp lựa chọn nút chuyển tiếp đơn trình (Partial Relay Selection) 11

1.3.3.2 Phương pháp lựa chọn nút chuyển tiếp toàn trình (Full Relay Selection) 12

1.4 Suy hao phần cứng (Hardware Impairments) 12

1.5 Lý do chọn đề tài 13

Chương 2 - MÔ HÌNH HOÁ HỆ THỐNG VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG HỆ THỐNG 14 2.1 Suy hao phần cứng (Hardware Impairments) 14

2.2 Bảo mật lớp vật lý (Physical-Layer Security) 15

2.3 Mô hình đề xuất 16

2.4 Mô hình hoá kênh truyền 19

2.5 Hiệu Năng Bảo Mật 20

2.5.1 Xác suất dừng bảo mật (Secrecy Outage Probability (SOP)) 20

2.5.2 Xác suất dung lượng bảo mật khác 0 (Probability of Non-Zero Secrecy Capacity (PNSC)) 21

Chương 3 - ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG BẢO MẬT 22

3.1 Xác suất dừng bảo mật (SOP) 22

3.2 Xác suất dung lượng bảo mật khác 0 (PNSC) 28

Chương 4 - MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 30

4.1 Xác suất dừng bảo mật (SOP) 30

4.2 Xác suất dung lượng bảo mật khác 0 (PNSC) 35

KẾT LUẬN 38

TÀI LIỆU THAM KHẢO 40

DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ, CHỮ VIẾT TẮT

CDF Cumulative Density Function Hàm phân phối tích lũy

CSI Channel State Information Thông tin trạng thái kênh truyền

EGC Equal Gain Combining Kỹ thuật kết hợp đội lợi cân bằng MRC Maximal Ratio Combnining Kỹ thuật kết hợp tỉ số tối đa MIMO Multi-Input Multi-Output

PDF Probability Density Function Hàm mật độ xác suất

PNSC Probability of Non-zero Secrecy Xác suất dụng lượng bảo mật

RF Randomize and Forward Ngẫu nhiên và chuyển tiếp

SOP Secrecy Outage Probability Xác suất dừng bảo mật

DANH SÁCH HÌNH VẼ

Hình 1.1 Mô hình bảo mật lớp vật lý cơ bản 3

Hình 1.2 Kỹ thuật kết hợp lựa chọn (Selection Combining: SC) 9

Hình 1.3 Kỹ thuật kết hợp tỉ số tối đa (Maximal Ratio Combining MRC) 9

Hình 1.4 Mô hình chuyển tiếp phân tập 11

Hình 2.1 Mô hình bảo mật lớp vật lý cơ bản với phần cứng lý tưởng 15

Hình 2.2 Mô hình đề xuất 16

Hình 4.1 Xác suất dừng bảo mật trung bình (SOP) vẽ theo tỷ số công suất phát trên nhiễu  (dB) khi   5dB,15dB , M 3, K   1, 2,3 , Cth  0.1,  0.1, xR  0.5, E 1 x  và yE  0.5 30

Hình 4.2 Xác suất dừng bảo mật trung bình (SOP) vẽ theo tỷ số công suất phát trên nhiễu  (dB) khi   5dB, 20dB, M   2,3,6 , K  2, Cth  0.1,  0.1, xR  0.5, E 1 x  và yE  0.5 31

Hình 4.3 Xác suất dừng bảo mật trung bình (SOP) vẽ theo mức suy hao phần cứng  khi  5dB, M 3, K  2, Cth  0.25,0.5,0.75 ,  [0,1], xR  0.5, xE  1 và E 0.5 y  32

Hình 4.4 Xác suất dừng bảo mật trung bình (SOP) vẽ hoành độ xR khi  2.5dB, 3 M  , K   1, 2,3 , Cth  0.5,  0.1, xR [0,1], xE  1 và yE  0.5 33

Hình 4.5 Xác suất dừng bảo mật trung bình (SOP) vẽ tung độ yE khi  0dB,  1, 2, 4  M  , K  1, Cth  0.25,  0, xR  0.8, xE  0.5 và yE0.1,0.9 33

Hình 4.6 Xác suất dung lượng bảo mật khác 0 (PNSC) vẽ theo giá trị K khi M 8,  1,8 K , xR  0.2,0.5,0.8 , xE  1 và yE  0.5 34

Hình 4.7 Xác suất dung lượng bảo mật khác 0 (PNSC) vẽ theo giá trị M khi M 1,10 , 1 / 2 K     M  , xR  0.5 và xE  yE  0.2,0.4,0.7  35

MỞ ĐẦU

Trong những năm gần đây, với sự phát triển của các dịch vụ truyền thông đa phương tiện đã thúc đẩy sự phát triển mạnh mẽ công nghệ truyền thông ra đời Để đạt được những yêu cầu về thông lượng, mở rộng phạm vi phủ sóng cung cấp chất lượng dịch vụ tốt hơn

Kỹ thuật MIMO với phân tập thu và phát cho phép tăng độ lợi phân tập hệ thống Tuy nhiên phải đảm bảo độ lợi phân tập giữa các anten giữa máy thu và máy phát nhưng trong thực tế việc thiết kết rất khó khăn Mạng chuyển tiếp vô tuyến được đề xuất, với kỹ thuật này các nút mạng chuyển tiếp có thể hợp tác với nhau trong quá trình truyền dữ dẫn để tăng

độ lợi phân tập không gian của hệ thống

Tuy nhiên, người dùng không hợp pháp có thể nghe và lấy cấp thông tin trên hệ thống vô tuyến Vì vậy vấn đề bảo mật ngày trở nên quan trọng và thiết yếu Bảo mật lớp vật lý là một kỹ thuật đơn giản để đạt được hiệu quả bảo mật mà không cần đến các thuật toán mã hoá phức tạp ở các lớp trên Cho đến nay, trong hầu hết các công bố đều giả sử rằng phần cứng của các thiết bị là hoàn hảo Tuy nhiên trên thực tế, các phần cứng này là không hoàn hảo bởi nhiễu gây ra từ sự nhiễu pha, sự không cân bằng I/Q, sự không tuyến tính trong bộ khuếch đại, v.v Ảnh hưởng của suy hao phần cứng sẽ gây giảm hiệu năng mạng vô tuyến

Luận văn này sẽ nghiên cứu về hiệu năng bảo mật với kỹ thuật chọn lưa nhiều nút chuyển tiếp đơn trình dưới sự tác động của phần cứng không hoàn hảo Hơn nửa, luận văn

sẽ tập trung nghiên cứu sử dụng nút chuyển tiếp đơn phần để nâng cao hiệu năng bảo mật của mạng chuyển tiếp dưới sự tác động của phần cứng không hoàn hảo Nội dung của luận văn được chia làm ba chương cụ thể như sau:

Chương 1: Lý thuyết tổng quan

Chương 2: Mô hình hệ thống

Chương 3: Mô phỏng và đánh giá kết quả

CHƯƠNG 1 - LÝ THUYẾT TỔNG QUAN

1.1 Bảo mật lớp vật lý (Physical-Layer Security)

Công nghệ viễn thông gần đây có những bước tiến nhảy vọt và có vai trò ngày càng quan trọng đối với xã hội, trong đó thông tin vô tuyến ngày càng được phát triển và mở ra nhiều dịch vụ song song với nó là nhu cầu người sử dụng cũng không ngừng nâng cao yêu cầu này chủ yếu là dịch vụ phong phú, tốc độ cao Đối với các cuộc trao đổi thông tin mang tính chất riêng tư, kinh doanh, chứng khoán thị trường ngoài đòi hởi các yêu cầu nêu trên còn hởi vừa phải mang tính chính xác (ở nơi thu sẽ thu được đúng những gì bên phát gửi) vừa phải mang tính chất bảo mật Vấn đề bảo mật này càng quan trọng đến thông tin liên quan đến quốc gia Trong thông tin nói chung bảo mật đã rất quan trọng, mà như chúng ta

đã biết môi trường truyền thông tin vô tuyến là môi trường truyền dẫn vô tuyến, môi trường này rất dễ bị nghe trộm và sử dụng trộm đường truyền, ví dụ như thông tin di động sử dụng

kỹ thuật FMDA chỉ cần biết được giải tần làm việc, khuôn dạng khung truyền ta có thể dễ dàng thu được cuộc trao đổi Bảo vệ quyền lợi của thuê bao, và bảo vệ bí mật dữ liệu trên mạng cho thuê bao cần có những phương pháp đặc biệt để đảm bảo rằng khi truy cập chỉ

có thể là máy của thuê bao và dữ liệu gửi đi chỉ có thể là của thuê bao nhất định và chỉ có đích cần nhận mới hiểu được thông tin nhận được là gì, tất cả các kỹ thuật đó gọi là kỹ thuật bảo đảm an toàn thông tin

Bảo mật trong truyền thông vô tuyến đã trở thành một vấn đề được các nhà nghiên cứu qua tâm Bởi tính chất quảng bá của kênh truyền vô tuyến, tín hiệu được truyền đi có thể bị nghe trộm bởi các thiết bị nghe lén Trong thực tế có nhiều phương pháp bảo mật và nhận dạng khác nhau, tuy nhiên hầu hết các thuật toán mã hóa, ví dụ như DES, RSA… đều

là các thuật toán chạy ở lớp ứng dụng và khá phức tạp khi triển khai trong các hệ thống

[1],[2] Gần đây, kỹ thuật bảo mật thông tin lớp vật lý (Physical-Layer Security) đã thu

hút được nhiều sự quan tâm của các nhà nghiên cứu trong và ngoài nước Trong phương pháp này là khai thác các tính chất vật lý của kênh truyền vô tuyến để tăng cường hiệu quả bảo mật mà không cần sử dụng các công cụ mã hóa

Hình 1.1: Mô hình bảo mật lớp vật lý cơ bản

Bảo mật lớp vật lý (Physical-Layer Security) [1[,[2] là một kỹ thuật đơn giản để đạt được hiệu quả bảo mật mà không cần đến các thuật toán mã hoá phức tạp ở các lớp trên Hình 1 miêu tả mô hình bảo mật lớp vật lý đơn giản, trong đó Alice (A) muốn giao tiếp với Bob (B) và Eva (E) muốn nghe lén thông tin mà Alice gửi đến Bob Giả sử, dung lượng kênh của liên kết giữa A và B là CAB và dung lượng kênh của kênh nghe lén là CAE, thì dung lượng kênh bảo mật được định nghĩa như sau:

Sec max 0, AB AE .

C  C  C (1.1) Bảo mật lớp vật lý là một phương pháp đơn giản nhằm đạt được hiệu quả bảo mật Đây là một hướng nghiên cứu mới, được các nhà khoa học trên thế giới quan tâm

1.2 Các phương pháp chuyển tiếp trong bảo mật lớp vật lý

Hiện nay, công nghệ vô tuyến đang phát triển mạnh đặc biệt là mạng di động tế bào

và mạng cảm biến không dây Tuy nhiên, công nghệ truyền thông không dây cũng gặp phải những thách thức không nhỏ như bài toán cạn kiệt phổ tần, can nhiễu khi số lượng người dùng lớn, những thách thức về công nghệ để đáp ứng yêu cầu các thiết bị viễn thông ngày càng nhỏ gọn, thân thiện với môi trường và tiết kiệm năng lượng Một trong những kỹ thuật giúp giảm năng lượng tiêu thụ, mở rộng vùng phủ cũng như giảm ảnh hưởng của hiện tượng fading là sử dụng kỹ thuật vô tuyến chuyển tiếp Kỹ thuật vô tuyến chuyển tiếp sử

dụng nút chuyển tiếp để chuyển tiếp tín hiệu từ nguồn tới một đích cho trước đang được nghiên cứu mạnh mẽ

Mô hình cơ bản của mạng chuyển tiếp bao gồm ba nút mạng: một nút nguồn S, nút chuyển tiếp R, một nút đích D Trong mô hình mạng vô tuyến chuyển tiếp, nút chuyển tiếp

có nhiệm vụ giúp đỡ các nút nguồn chuyển dữ liệu nguồn đến các đích mong muốn Trong những mạng hai chặng thông thường, thông tin nguồn có thể được chuyển tới đích thông qua một nút chuyển tiếp tốt nhất Chuyển tiếp có thể mang lại hiệu suất vượt trội so với mạng không dây Chuyển tiếp đơn hướng yêu cầu hai khe thời gian cho hai pha truyền thông, khe thời gian đầu tiên nút nguồn truyền tín hiệu của nó tới nút chuyển tiếp, khe thời gian thứ hai nút chuyển tiếp chuyển tiếp tín hiệu từ nguồn tới đích Chuyển tiếp đơn hướng dẫn tới không hiệu quả trong việc sử dụng băng thông hệ thống, đặc biệt trong hệ thống truyền thông tốc độ cao Các giải pháp khác nhau để khắc phục hạn chế của ràng buộc truyền đơn hướng

- Phương pháp đầu tiên là giao thức không trực giao, nó cho phép nguồn phát hoạt động trong suốt thời gian chuyển tiếp

- Phương pháp thứ hai là chồng lấp nhiều truyền dẫn chuyển tiếp để bắt chước hoạt động chuyển tiếp song hướng (FD: Full-Duplex)

- Phương pháp thứ ba là sử dụng kênh truyền chuyển tiếp hai chiều, với hai nút nguồn trao đổi dữ liệu thông qua sự giúp đỡ của nút chuyển tiếp

- Cuối cùng, giải pháp thứ tư là kết hợp giữa hợp tác trên lớp mạng và sử dụng khái niệm vô tuyến nhận thức để cho phép chuyển tiếp tín hiệu trong suốt thời gian nguồn phát ngừng truyền

Thực tế là các nút chuyển tiếp không thể thu và phát cùng lúc do không thể tránh khỏi hiệu ứng coupling giữa mạch phát và mạch thu Điều này dẫn đến giới hạn half-duplex, và đây chính là nguyên nhân mà sự truyền dẫn từ nút nguồn qua nút chuyển tiếp

Nghĩa là chúng chỉ có thể hoạt động ở chế độ bán song công, chủ yếu thực hiện qua hai giai đoạn truyền:

- Ở giai đoạn thứ nhất, mỗi nút gửi thông tin về nút đích và đồng thời thông tin này cũng được những người dùng khác tiếp nhận Đây chính là tính chất quảng bá của kênh vô tuyến

- Ở giai đoạn thứ hai, các nút chuyển tiếp sẽ chuyển tiếp thông tin mà nó nhận được từ các nút khác tới nút đích

Dựa vào số chặng (Hop) ta có thể giữa nút nguồn và nút đích ta có thể phân loại kỹ

thuật chuyển tiếp: chuyển tiếp hai chặng (Two-hop relaying) [3],[4] và chuyển tiếp đa chặng (Multi-hop relaying) [5],[6] Đặc điểm của hai loại chuyển tiếp này như sau:

- Chuyển tiếp hai chặng (Two-hop relaying): chỉ có một nút chuyển tiếp thực hiện việc truyền dữ liệu người dùng về nút đích

- Chuyển tiếp đa chặng (Multi-hop relaying): Số nút chuyển tiếp thực hiện việc truyền dữ liệu người dùng về đích là từ hai trở lên

Có các giao thức cơ bản mà mút chuyển tiếp sử dụng để xử lý tín hiệu nhận được từ

nút nguồn Một là kỹ thuật giải mã và chuyển tiếp (DF) [7],[8], hai là kỹ thuật khuếch đại

và chuyển tiếp (AF) [9],[10], ba là kỹ thuật ngẫu nhiên và chuyển tiếp (RF) Hai kỹ thuật

AF và DF lần lượt hoạt động như bộ lộc tương tự và bộ lộc số trong các hệ thống chuyển tiếp

1.2.1 Kỹ thuật khuếch đại và chuyển tiếp (AF)

Trong mô hình này, nút chuyển tiếp nhận tín hiệu từ nguồn trong pha thời gian đầu tiên Trong pha thời gian kế tiếp, nút chuyển tiếp chỉ đơn giản khuếch đại tín hiệu nhận được trong nửa pha thời gian đầu Trong kỹ thuật này nút chuyển tiếp không có khả năng giải mã tín hiệu nhận được nhưng có thể khuếch đại tín hiệu nhận được từ nguồn và gửi nó đến đích Kỹ thuật khuếch đại và chuyển tiếp còn được gọi là mô hình chuyển tiếp không tái tạo Kỹ thuật này thường được dùng thời gian tính toàn hoặc công suất vốn có của trạm

chuyển tiếp bị giới hạn, hay có thời gian trì hoãn Trạm chuyển tiếp nhận được tín hiệu đã

bị suy hao và cần phải khếch đại lên trước khi truyền tiếp

-Ưu điểm: Phương pháp khuếch đại và chuyển tiếp là đơn giản

- Nhược điểm: Phương pháp này là nhiễu được khuếch đại tại nút chuyển tiếp

1.2.2 Kỹ thuật giải mã và chuyển tiếp (DF)

Với giao thức giải mã và chuyển tiếp, nút chuyển tiếp sẽ giải điều chế tín hiệu nhận được tại nút nguồn tại pha thời gian đầu tiên Ở pha thời gian thứ hai nút chuyển tiếp thực hiện điều chế lại và chuyển tiếp tín hiệu về nút đích Ở kỹ thuật này nút chuyển tiếp hoạt động như một trạm lặp thông minh So với kỹ thuật AF, kỹ thuật DF phức tạp hơn bởi sự yêu cầu giải mã và mã hóa lại tại các nút chuyển tiếp Nhiễu tại nút chuyển tiếp trong kỹ thuật DF sẽ được loại bỏ, với kỹ thuật AF thì nhiễu từ nguồn sẽ được khuếch đại trước khi truyền đến đích Kỹ thuật này thường dùng trong việc truyền tín hiệu số

- Ưu điểm: Phương pháp giải mã và chuyển tiếp là dễ dàng tích hợp vào hệ thống

số Trong phương pháp này, nhiễu được loại bỏ tại nút chuyển tiếp

- Nhược điểm: Nút chuyển tiếp cần giải mã tín hiệu và mã hoá lại tín hiệu trước khi truyền đến đích Quá trình giải điều chế có thể bị sai và nút chuyển tiếp có thể chuyển tiếp tín hiệu sai tới đích

Trong bảo mật lớp vật lý, các nhà nghiên cứu còn đề xuất một phương pháp chuyển tiếp khác, đó là ngẫu nhiên và chuyển tiếp

1.2.3 Kỹ thuật ngẫu nhiên và chuyển tiếp (RF)

Trong kỹ thuật này, nút chuyển tiếp R khi được dữ liệu từ nguồn giải mã và sau đó

sẽ mã hóa lại dữ liệu với một từ mã khác với từ mã từ nguồn Kỹ thuật này được sử dụng

để tranh nút nghe lén kết hợp dữ liệu nhận được Đây là một biến đổi của kỹ thuật giải mã chuyển tiếp (DF): kỹ thuật RF chỉ khác kỹ thuật DF ở chỗ các từ mã sẽ được tạo ra một cách ngẫu nhiên tại nút chuyển tiếp

1.3 Các kỹ thuật phân tập kết hợp và chuyển tiếp phân tập

1.3.1 Các kỹ thuật phân tập trong thông tin vô tuyến

Trong thông tin vô tuyến quá trình truyền dẫn luôn chịu ảnh hưởng bởi các hiện tượng pha-đinh Pha-đinh được phân loại theo nhiều cách khác nhau, tùy thuộc vào tham

số xem xét, yêu cầu của hệ thống mà có: pha-đinh phẳng, pha-đinh chọn lọc theo thời gian, pha-đinh nhanh và pha-đinh chậm… Với các mô hình kênh khác nhau như: kênh pha-đinh Rayleigh, kênh pha-đinh Rice, kênh pha-đinh Nakagmi Các hệ thống thông tin khác nhau

sẽ chịu ảnh hưởng của các hiện tượng pha-đinh khác nhau, vì vậy biện pháp khắc phục ảnh hưởng của các loại pha-đinh cũng khác nhau

Để hạn chế ảnh hưởng của pha-đinh và nâng cao chất lượng truyền thông, trong thông tin vô tuyến sử dụng một số biện pháp kỹ thuật như: phương pháp phân tập, phương pháp bù pha-đinh, trong phương pháp phân tập được sử dụng phổ biến

Kỹ thuật phân tập đòi hởi sự tồn tại của một số đường truyền có các tham số thông

kê độc lập, nhưng truyền tải cùng một thông tin giống nhau Bản chất của Kỹ thuật phân tập là tín hiệu được truyền trên các đường truyền độc lập sẽ chịu ảnh hưởng của hiệu ứng pha-đinh khác nhau Tức là, trong số các tín hiệu thu được sẽ có tín hiệu thu với chất lượng tốt và có tín hiệu thu được với chất lượng xấu Do đó, nếu kết hợp các tín hiệu này một cách thích hợp, chúng ta có thể thu được tín hiệu tổng hợp chịu ảnh hưởng của pha-đinh ít hơn Kết quả này đồng nghĩa với tín hiệu được truyền đi với độ tin cậy cao hơn Theo miền ứng dụng, các phương pháp phân tập sử dụng trong thông tin vô tuyến có thể được phân thành: phân tập thời gian, phân tập tần số, phân phân cực và phận tập không gian

 Phân tập thời gian

Do tính chất ngẫu nhiên của đinh, biên độ của một tín hiệu chịu ảnh hưởng đinh ngẫu nhiên tại các thời điểm lấy mẫu cách xa nhau đủ lớn về thời gian sẽ không tương quan với nhau Do vậy, truyền một tín hiệu tại các thời điểm cách biệt đủ lớn tương đương với việc truyền một tín hiệu trên nhiều đường truyền độc lập, như vậy đã có sự phân tập về thời gian Tuy nhiên phân tập thời gian là suy giảm hiệu suất băng tần do có sự dư thừa

pha-trong miền thời gian

 Phân tập tần số

Phân tập tần số là sử dụng một tập hợp các tần số để truyền đi cùng một tín hiệu Khoảng cách giữa các tần số phải đủ lớn, vào khoảng vài lần băng tần đồng bộ, để đảm bảo pha-đinh ứng với các tần số sử dụng không tương quan với nhau Chính vì lý do đó mà phân tập tần số dẫn đến tiêu tốn phổ tần số

 Phân tập phân cực

Dựa vào đặc tính là hai tín hiệu đi trên hai pân cực trực giao trong môi trường vô tuyến có các tham số thống kê độc lập Vì vậy hai phân cực này có thể coi là cơ sở của hai nhánh phân tập phân cực Số lượng các nhánh phân cực chỉ là hai do chỉ tồn tại hai phân cực sóng trực giao Nhược điểm của phân tập phân cực là chất lượng tín hiệu thu cũng bị suy giảm 2 lần

 Phân tập không gian

Kỹ thuật phân tập này là sử dụng nhiều ăng-ten ở máy thu , máy phát hoặc ở cả hai phía máy thu và máy phát để tạo nên các nhánh phân tập không gian khác nhau Khoảng cách cần thiết giữa các ăng-ten tối thiểu là một nửa bước sóng Khi sử dụng nhiều ăng-ten

ở máy phát, ta có hệ thống phân tập không gian phát, và có phân tập không gian thu nêu sử dụng nhiều ăng-ten ở máy thu Trường hợp phân tập không gian mà sử dụng nhiều ăng-ten phát máy phát và ăng-ten máy thu, thì kênh truyền vô tuyến đó được gọi là kênh MIMO

1.3.2 Các kỹ thuật phân tập kết hợp

Khi tín hiệu từ nguồn được truyền qua môi trường pha-đinh Rayleigh tới máy thu

sử dụng phân tập không gian với N nhánh phân tập, khi đó máy thu sẽ thu được N tín hiệu

từ N nhánh [11] Từ N tín hiệu nhánh thu được, để tín hiệu đầu ra kết hợp có chất lượng tốt

hơn, chúng ta sử dụng các kỹ thuật phân tập không gian:

1.3.2.1 Kỹ thuật kết hợp lựa chọn (Selection Combining: SC) [11]

Kỹ thuật phân tập SC hoạt động trên nguyên tắc lựa chọn tín hiệu có tỉ số tín hiệu trên nhiễu (SNR) tốt nhất trong số tất các tín hiệu nhận được từ các nhánh khác rồi đưa vào

xử lý Để thực hiện điều kỹ thuật này cần có mạch lọc logic thực hiện đo lường và tính toán

tỷ số tín hiệu trên nhiễu (SNR) Tín hiệu ngõ ra của bộ kết hợp có SNR chính là giá trị cực

đại của SNR trên tất cả các nhánh Vì tại một thời điểm chỉ có một tín hiệu của một nhánh

đầu vào xử lý nên kỹ thuật này không yêu cầu sự đồng pha giữa các nhánh

Mạch chọn lô-gic

Hình 1.2: Kỹ thuật kết hợp lựa chọn (Selection Combining: SC)

1.3.2.2 Kỹ thuật kết hợp tỉ số tối đa (Maximal Ratio Combining MRC) [11]

Mạch cao tần Mạch cao tần Mạch cao tần

Hình 1.3: Kỹ thuật kết hợp tỉ số tối đa (Maximal Ratio Combining MRC)

Kỹ thuật kết hợp tỉ số tối đa được Kahn đề xuất 1964 Sử dụng kỹ thuật này, tín hiệu thu từ tất cà các nhánh được điều chỉnh đồng pha rồi kết hợp với nhau Trong kỹ thuật MRC, SNR của ngõ ra bộ kết hợp là tổng của các SNR trên các nhánh thành phần, SNR của tín hiệu thu sẽ tăng tuyến tính theo số nhánh phân tập

1.3.2.3 Kỹ thuật kết hợp tỉ số cân bằng ( Equal-Gian Combining EGC) [12]

Trong kỹ thuật MRC thì yêu cầu phải biết sự biến đổi của SNR trên từng nhánh theo thời gian, tuy nhiên thông số này rất khó để đo được Vì vậy để đơn giản kỹ thuật MRC người ta dùng kỹ thuật kết hợp độ lợi cân bằng EGC Về bản chất EGC cũng giống như MRC, tuy nhiên, tỉ số SNR đầu ra trong phương pháp EGC thỏa điều kiện công suất nhiễu trên các nhánh như nhau Tuy nhiên hiệu quả kỹ thuật này có thể là không cao như đối kỹ thuật MRC nhưng EGC dễ thực thi trong thực tế hơn kỹ thuật MRC

1.3.3 Các kỹ thuật lựa chọn nút chuyển tiếp

Kỹ thuật chuyển tiếp phân tập là một kỹ thuật đầy hứa hẹn để nâng cao hiệu suất các hệ thống thông tin vô tuyến trong môi trường nhiễu fading Để nâng cao hơn nửa hiệu năng của mô hình đa nút chuyển kết hợp với các kỹ thuật chọn lựa nút chuyển tiếp đã được giới thiệu Như được thể hiện trong hình, nhiều nút chuyển tiếp R sẵn sàn giúp đõ nguồn truyền dữ liệu nguồn đến đích Thông thường, để sử dụng phổ một cách hiệu quả, hệ thống thường chọn nút chuyển tiếp tốt nhất Trong mô hình nhiều nút chuyển tiếp, giữa M nút chuyển tiếp sẵn có, chỉ một nút chuyển tiếp R tốt nhất dựa vào tỉ sỗ tín hiệu trên nhiễu SNR lớn nhất để sử dụng để giúp nguồn S truyền dữ liệu đến đích D Việc chọn nút chuyển tiếp tốt nhất có thể được thực hiện như phương pháp như sau: các nút chuyển tiếp thiết lập một đồng hồ bấm thời gian: ti,j = A / 𝛾𝑅𝑖,𝑗,𝐷, với A là một hằng số cho trước Nút nào có thời gian hết hạn trước (đồng nghĩa với ti,j nhỏ nhất hay 𝛾𝑅𝑖,𝑗,𝐷 lớn nhất), sẽ là nút tốt nhất và được chọn để chuyển tiếp dữ liệu Trong thời gian gần đây các giao thức lựa chọn nút chuyển tiếp tốt nhất, khi có nhiều nút chyển tiếp sẵn có giúp đỡ truyền dữ liệu đến đích, đã được nghiên cứu và phát triển Về cơ bản, các phương pháp chọn lựa được chia làm hai loại: phương pháp chọn lựa đơn trình (Partial Relay Selection) và phương pháp chọn lựa

toàn trình (Full Relay Selection) [13],[18]

S D

Hình 1.4: Mô hình chuyển tiếp phân tập

1.3.3.1 Phương pháp lựa chọn nút chuyển tiếp đơn trình (Partial Relay

Selection)

Để giảm bớt sự phức tạp trong việc thực thi trong mô hình có nhiều nút chuyển

tiếp, giao thức chọn lựa nút chuyển tiếp đơn trình [17],[18] đã được đề nghị Trong phương

pháp này, nút chuyển tiếp tốt nhất được chọn chỉ dựa vào trạng thái kênh truyền giữa nút

nguồn và các nút chuyển tiếp (chặng đầu tiên) Bởi vì, thông tin trạng thái kênh truyền này

có thể dễ dàng đạt được thông qua các hoạt động duy trì mạng nên việc thực thi giao thức

này trong thực tế sẽ đơn giản hơn việc chọn lựa nút chuyển tiếp toàn phần

- Ưu điểm: Phương pháp lựa chọn nút chuyển tiếp đơn trình sẽ đơn giải hơn phương

pháp lựa chọn nút chuyển tiếp toàn trình vì chỉ yêu cầu thông tin trạng thái kênh truyền từ

một phía, đồng thời hiệu quả sử dụng phổ tần được nâng cao

- Nhược điểm: Phương pháp lựa nút chuyển tiếp đơn trình chỉ yêu cầu thông tin từ

một phía nên có khả năng bỏ qua nút chuyển tiếp có độ lợi cao Phương pháp chọn lựa đơn

trình có hiệu năng không cao bằng phương pháp chọn lựa nút chuyển tiếp toàn trình

1.3.3.2 Phương pháp lựa chọn nút chuyển tiếp toàn trình (Full Relay

Selection)

Trong [13], các tác giả đã đề xuất phương pháp chọn lựa nút chuyển tiếp toàn trình

tốt nhất Trong phương pháp này, hệ thống của chúng ta có thể đạt được độ lợi phân tập cao (bằng số lượng nút chuyển tiếp) Tuy nhiên, việc triển khai các giao thức này trong thực tế gặp nhiều khó khăn Đầu tiên, mỗi nút chuyển tiếp cần đạt được trạng thái kênh truyền (channel state information) của cả hai chặng Thứ hai, ta cần sự đồng bộ chính xác giữa các nút trong việc chọn lựa nút, cũng như trong quá trình truyền dữ liệu

- Ưu điểm: Độ lợi phân tập đầy đủ (full diversity gian) bằng với số nút chuyển tiếp ( cộng 1 nếu có đường truyền trực tiếp từ nguồn tới đích)

- Nhược điểm: Phức tạp hơn rất nhiều so với phương pháp lựa chọn nút chuyển tiếp đơn phần Phương pháp này đòi hởi các nút chuyển tiếp phải biết được thông tin trạng thái kênh truyền của cả hai chặng Cần có sự đồng bộ cao giữa các nút chuyển tiếp trong quá trình chọn lựa nút chuyển tiếp

1.4 Suy hao phần cứng (Hardware Impairments)

Suy giảm phần cứng của thiết bị thu phát ảnh hưởng xấu đến hiệu suất của hệ thống thông tin, đặc biệt là đối với các hệ thống tốc độ cao Như chúng ta đã biết, hầu hết các nghiên cứu đóng góp trong lĩnh vượt chuyển tiếp cho rằng phần cứng của các thiết bị là hoàn hảo bởi nhiễu gây ra từ sự nhiễu pha, sự không cân bằng I/Q, sự không tuyến tính trong bộ khuếch đại, v.v Suy yếu tạo ra một ngưỡng cơ bản không thể vượt qua bằng cách tăng công suất phát Trong luận văn, nghiên cứu sự ảnh hưởng của suy giảm phần cứng với

mô hình chuyển tiếp phân tập dưới sự tác động của phần cứng không hoàn hảo

Gần đây, nhiều tác giả đã nghiên cứu sự tác động của phần cứng không hoàn hảo

lên hiệu năng của các hệ thống Trong tham khảo [19],[20], các tác giả lần lượt nghiên cứu

sự tác động này lên hiệu năng của các bộ truyền nhận làm việc ở tần số 60Ghz và hiệu năng

của hệ thống MISO Trong tham khảo [21], những mô hình chuyển tiếp sử dụng kỹ thuật

MIMO, trong đó các nút chuyển tiếp có thể hoạt động trong chế độ bán công (half-duplex)

hoặc song công (full-duplex) dưới sự tác động của phần cứng không hoàn hảo, đã được đề

nghị Trong các tham khảo [22] và [23], các tác giả định lượng sự ảnh hưởng của phần

cứng không hoàn hảo lên hiệu năng của những mạng lưới chuyển tiếp hai chặng sử dụng

kỹ thuật khuếch đại chuyển tiếp (amplify-and-forward) và giải mã chuyển tiếp

(decode-and-forward) Trong tham khảo [24], các tác giả phân tích sự ảnh hưởng của bộ truyền

nhận không hoàn hảo lên xác suất dừng, tỉ lệ lỗi ký tự trong mạng lưới khuếch đại chuyển tiếp hai chiều Trong đề tài này, sự tác động của suy hao phần cứng lên hiệu năng bảo mật của mô hình chuyển tiếp sử dụng kỹ thuật chọn lựa nhiều nút đơn trình

1.5 Lý do chọn đề tài

Cho đến nay chỉ có một vài công trình đánh giá sự ảnh hưởng của suy hao phần

cứng lên hiệu năng bảo mật lớp vật lý, cụ thể [25],[26] Đó cũng là nguyên nhân chính để

học viên nghiên cứu sự tác động của phần cứng không hoàn hảo lên hiệu năng bảo mật Ngoài ra, đề tài cũng đề xuất phương pháp chọn lựa nhiều nút chuyển tiếp đơn trình để nâng cao hiệu quả bảo mật của hệ thống vô tuyến Tiếp theo, học viên xin nêu lên sự khác

biệt giữa mô hình đề xuất và các mô hình đã được công bố trong các tài liệu [25] và [26]:

- Trong [25], các tác giả đưa ra các mô hình chuyển tiếp MIMO khác nhau và xét đến hiệu năng bảo mật cho các mô hình đó Tuy nhiên, trong [25], các

tác giả chỉ đưa ra các kết quả mô phỏng và chưa đưa ra các phân tích đánh giá hiệu năng bảo mật

- Trong [26], các tác giả đề xuất mô hình chuyển tiếp hai chặng và đánh giá

hiệu năng xác suất dừng bảo mật Tuy nhiên, mô hình trong tài liệu tham

khảo [26] là đơn giản khi chỉ xét một nút chuyển tiếp đơn Hơn thế nữa, các

tác giả cũng giả sử rằng tổng mức suy hao phần cứng tại các chặng là bằng nhau

Trong luận văn này sẽ nghiên cứu vấn đề hiệu năng bảo mật với kỹ thuật chọn lựa nhiều nút chuyển tiếp đơn trình dưới sự tác động của phần cứng không hoàn hảo

Chương 2 - MÔ HÌNH HOÁ HỆ THỐNG VÀ ĐÁNH GIÁ

HIỆU NĂNG HỆ THỐNG

2.1 Suy hao phần cứng (Hardware Impairments)

Xét sự truyền dữ liệu giữa một nút phát X và một nút nhận Y, tín hiệu nhận được tại nút Y với sự xuất hiện của phần cứng không hoàn hảo có thể được mô hình hoá như

trong các tài liệu [22],[23] như sau:

y Ph x   n (2.1)

Trong công thức (2.1), P là công suất phát tại nguồn X, h là hệ số kênh truyền giữa các nút X và Y, x là tín hiệu được truyền đi bởi máy phát X, t là nhiễu gây ra do suy hao phần cứng tại X, r là nhiễu gây ra do suy hao phần cứng tại Y và

Y

n là nhiễu cộng tại nút nhận Y

Tương tự như trong [22],[23], các thành phần nhiễu t, r và nY có thể được mô hình bằng nhiễu Gauss với giá trị trung bình bằng 0 và phương sai lần lượt là:

var t t, var r r P h| | , var n N , (2.2) với t và r là các hằng số dương biểu thị mức độ suy hao tại phía thu X và tại phía nhận

Y Khi t  r  0, điều này có nghĩa là các phần cứng là hoàn hảo (đây là giả thiết được

sử dụng hầu hết trong các công trình) Thật vậy, trong trường hợp này, công thức (2.1) sẽ trở lại dưới dạng thông thường như sau:

Y

y Phx n (2.3)

Từ (2.1) và (2.2), tỷ số công suất tín hiệu trên nhiễu (SNR) nhận được tại máy thu

Y có thể được tính bởi phương trình sau:

trong đó,    t  r biểu thị tổng mức suy hao phần cứng tại X và tại Y; và  P N/ 0 là

tỷ số công suất phát trên công suất nhiễu

2.2 Bảo mật lớp vật lý (Physical-Layer Security)

Hình 2.1: Mô hình bảo mật lớp vật lý cơ bản với phần cứng lý tưởng

Trong mô hình này, ta ký hiệu hSD và hSE lần lượt là kênh truyền giữa S-D và giữa S-E Sử dụng công thức (2.4), tỷ số tín hiệu trên nhiễu nhận được tại đích D sẽ là

2 SD

với  là tổng mức suy hao phần cứng tại S và D

Một cách tương tự, tỷ số tín hiệu trên nhiễu nhận được tại nút nghe lén cũng được đưa ra như sau:

2 SE

Từ (2.5), ta đạt được dung lượng của kênh dữ liệu là

2.3 Mô hình đề xuất

Kênh ChínhKênh Nghe Lén

Các nút chuyển tiếp đơn phần được chọn

1R

2R

Hình 2.2: Mô hình đề xuất

Hình 2.2 mô tả mô hình sẽ được nghiên cứu trong luận văn này Trong hình vẽ này, một nút nguồn S muốn chuyển tiếp dữ liệu đến một nút đích D, thông qua sự giúp đỡ của

M nút chuyển tiếp R  R R1, 2, , RM Giả sử rằng, không có liên kết trực tiếp giữa S và D bởi vì khoảng cách hoặc vật cản Vì vậy, nút nguồn (S ) cần sự giúp đỡ từ các nút chuyển tiếp (R) để đưa dữ liệu mong muốn đến đích Trong mô hình khảo sát, nút nghe lén (E) đang cố gắng nghe lõm dữ liệu được phát đi từ nguồn S và từ các nút chuyển tiếp R Sự truyền dữ liệu từ S đến D thông qua R được thực hiện qua hai khe thời gian trực giao: trong khe thời gian thứ nhất S truyền dữ liệu đến một nhóm các R được chọn trước theo phương

pháp chọn lựa đơn trình (Partial Relay Selection) [10], trong khe thời gian thứ hai, một

trong các nút chuyển tiếp được chọn sẽ chuyển tiếp dữ liệu của S đến D

Để dễ dàng mô tả phương pháp chọn lựa nút chuyển tiếp, đầu tiên, ta ký hiệu Sm,

D

 , SE và mE lần lượt là độ lợi kênh truyền của các liên kết giữa S-Rm, Rm D, S-E

và Rm E, với m1, 2, ,M. Không mất tính tổng quát, ta có thể giả sử rằng các độ lợi kênh truyền của các liên kết giữa nguồn và các nút chuyển tiếp được sắp xếp theo thứ tự từ lớn đến bé như sau: S1  S2  S3   S -1M  SM Kế đến, trong M nút chuyển tiếp này, chỉ

có K  0   K M  nút chuyển tiếp có độ lợi kênh truyền lớn nhất được đưa vào danh sách các nút chuyển tiếp tiềm năng, cụ thể các nút này nằm trong tập W: W= SR ,SR , ,SR  1 2 K

Ta cần chú ý rằng K là một số nguyên dương có giá trị từ 1 đến M và là thông số đã được

thiết kế của hệ thống Nếu K  1 tức là hệ thống chỉ chọn nút chuyển tiếp có độ lợi kênh truyền lớn nhất đến nguồn để chuyển tiếp dữ liệu; và đây là phương pháp chọn lựa nút

chuyển tiếp thông thường [10] Nếu K  M tức là tất cả các nút chuyển tiếp đều có thể được sử dụng để chuyển tiếp dữ liệu; và đây là một trong những phương pháp đã được đề

xuất trong [9] Rõ ràng rằng, phương pháp trong đề tài này là một phương pháp tổng quát cho cả hai phương pháp trong [9] và [10]

Bây giờ, ta sẽ xét sự chọn lựa nút chuyển tiếp ở chặng thứ hai: chặng giữa các nút chuyển tiếp và nút đích Thật vậy, trong các ứng viên tiềm năng của tập W , nút có độ lợi